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La création de l'Univers

L'atome primitif (II)

Arthur Eddington reconnut le sérieux des modèles d’univers d’Einstein et de Sitter et développa de son côté une autre variante dans les années 1920. Son modèle prévoit que pendant une très longue période de temps l'Univers est statique, permettant à la matière de se former puis survint l'expansion de l'Univers proprement dite avec la formation des galaxies. Mais ce modèle ne correspondait pas exactement à la réalité, car nous savons aujourd'hui que la phase statique n'a jamais exister.

Document T.Lombry

Métaphore du Big Bang

A la même époque, le chanoine belge Georges Lemaître, mathématicien de l’Université de Louvain venait de terminer deux années d’études aux Etats-Unis. En 1923, il avait suivi une année de formation à Cambridge en Angleterre où il suivit les cours d’astrophysique d'Eddington. L'année suivante, il travailla à l'Harvard College Observatory sous la direction d'Harlow Shapley, expert des "nébuleuses" (les galaxies) puis obtint son PhD de l’Université de MIT.

Lemaître profita de son séjour aux Etats-Unis pour rencontrer Vesto Slipher et Edwin Hubble dont il suivit la conférence sur la récession des galaxies en 1925. Quelques années plus tard, Lemaître discutera également avec Albert Einstein.

De retour en Belgique, Lemaître s'intéressa d'abord à l'état initial concentré de l'Univers et réalisa la synthèse de la théorie d’Einstein et de Sitter. S'intéressant beaucoup au monde des atomes qu'il comprenait enfin, pour expliquer l'expansion de l'Univers, l'abbé Lemaître trouva une idée géniale : l'atome primitif. Il imaginait que l'Univers était né d'une gigantesque explosion, à l'origine de l'expansion que nous observons aujourd'hui.

Dans le principe son idée était effectivement géniale mais erronée dans les faits. Nous savons aujourd'hui qu'il est impossible que l'Univers ait pu se former à partir d'une boule solide et froide.

Ne sachant pas encore très bien de quoi se composait l'atome, l'abbé Lemaître imaginait que son "atome primitif" avait la taille du système solaire et qu'il s'était brisé de façon successive pour donner naissance à toute la matière de l'Univers. Mais cette réaction de fission n'expliquait en rien l'abondance de l'hydrogène et de l'hélium.

Malgré cette difficulté et sans avoir lu les travaux de Friedmann, Lemaître s'intéressa ensuite à l'expansion de l'univers, qu'il considérait comme "homogène, de masse constante et de rayon croissant".

Les acteurs des années 1920 (II)

Arthur Eddington, George Lemaître et Edwin Hubble. Documents Gouv.Belge et Mont Wilson.

En 1927, Lemaître trouva une loi qui relie le décalage Doppler à la distance des galaxies dont la constante cosmologique valait 575 km/s/Mpc (625 km/s/Mpc avec une correction statistique). Malheureusement pour lui mais il l'ignorait, Hubble trouva simultanément la même relation et une constante de la même valeur, ce qui n'était pas étonnant puisque les deux astronomes utilisèrent les mêmes données de Slipher.

En d'autres termes, Lemaître imagina une solution à constante cosmologique dans un univers en expansion subissant une accélération retardée. Cette théorie deviendra le modèle Lemaître-Eddington.

Lemaître conclut[6] que l'Univers était ouvert et s'étendait à l'infini avec une variation continue des distances entre les objets. Il considéra que l’univers était constitué de "nébuleuses extragalactiques", une idée qui était très en avance sur son temps.

Einstein refusa catégoriquement cette idée car dans son esprit l'univers ne pouvait pas être en perpétuel changement. Les cosmologistes n'appréciaient pas non plus cette solution généralisée qu'ils jugèrent purement spéculative, ne comprenant pas l'intérêt d'inclure une accélération qui compliquait inutilement la théorie. Dans leur esprit, si on ne considérait que le rapport vitesse/distance des galaxies, la constante cosmologique n'était pas nécessaire.

Or, un demi-siècle plus tard, les astronomes ont bien dû constater que cette relation de Lemaître, la fameuse loi de Hubble ne fonctionne plus pour les objets les plus éloignés de l'univers, les forçant à tenir compte d'une nouvelle constante cosmologique. On y reviendra à propos des problèmes du modèle Standard et la question de la matière et de l'énergie sombres.

Eloigné de la communauté scientifique anglo-saxonne, l’article de Lemaître resta méconnu jusqu’en janvier 1930, lorsque Hubble présenta ses résultats devant la Royal Astronomical Society de Londres. Lemaître lut ce compte-rendu et envoya une copie de son article de 1927 à Eddington. Quelques mois plus tard Eddington rédigea un commentaire dans les "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" et l’article de Lemaître fut publié dans le même magazine en 1931.

Quoi qu'en pensa Einstein, les mesures et les calculs de Lemaître et Hubble démontraient que les galaxies s'évadaient dans l'espace avec une accélération constante. Leur vitesse étaient d'autant plus élevée qu'elles étaient éloignées. De Sitter reconnut à son tour la validité de la théorie de Lemaître et abandonna son modèle d’univers vide de matière.

Finalement, ainsi que nous le verrons à propos de la découvertes des galaxies, en 1929 Hubble[7] exposa la loi qui porte désormais son nom : "la vitesse de fuite des galaxies est proportionnelle à leur distance, à raison de 500 km/s par mégaparsec"[8]. Les observations ultérieures ramèneront toutefois la valeur de la constante de Hubble Ho à la moyenne de 75 km/s/Mpc puis finalement à 67.74 km/s/Mpc en 2015 suite à la mission Planck.

La relation d'Hubble s'établit sous la forme suivante :

v = Ho r

Si la distance r est exprimé en Mpc, la vitesse v s'exprime en km/s.

La loi de Hubble et valeurs de Ho

A gauche, la loi de Hubble que le célèbre astronome commenta ainsi : “Vitesses radiales, corrigées pour le mouvement solaire tracées en fonction de la distance estimée à partir des étoiles concernées et des luminosités moyennes des galaxies dans un amas. Les points noirs et la ligne droite continue représentent la solution tenant compte du mouvement solaire et des galaxies individuelles; les cercles et la ligne pointillée représentent la solution combinant les galaxies en groupes”. Au centre, renversement de l’Histoire, vers 2000, le télescope spatial qui aujourd’hui rend hommage à Hubble indiquait que la constante de Hubble était d'environ 65 km/s/Mpc, une valeur relativement basse. La valeur calculée en 2015 à partir des mesures de la mission Planck est de 67.74 km/s/Mpc. A droite, le modèle de concordance entre les différents paramètres cosmologiques y compris avec le paramètre de Hubble dans le modèle du Big Bang avec les composantes inflationnaire et ΛCDM établi entre 2008 et 2015. Documents extrait de E.Hubble/Proceedings of the National Academy of Sciences of USA, J.Huchra/U.Hartvard et ESA - Collaboration Planck/LBL adapté par l'auteur.

La théorie de l'univers en expansion naquit réellement en 1930. Mais jusqu’à sa mort en 1953, Hubble resta réticent à l’idée d’admettre que l’univers soit en évolution. Dans son esprit, comme dans celui de Fred Hoyle, l’univers était statique, les décalages spectraux ne représentant que des vitesses relatives.

Aujourd’hui, les astronomes ont un point de vue plus nuancé. Ils considèrent que l’Univers est bel et bien en expansion suite au Big Bang mais que les galaxies ne s’évadent pas dans l’espace mais sont en mouvements du fait de l’expansion de l’Univers, ce qu'on appelle la comobilité.

Sauf effets locaux de la gravitation qui attire localement certaines galaxies voire des amas entiers de galaxies, le décalage Doppler ne peut donc pas être interprété comme la "vitesse de récession" des galaxies, raison pour laquelle l'expression est placée entre guillemets.

Une idée de l'expansion de l'univers

A l'image d'un ballon sur lequel on aurait placé des pastilles représentant les galaxies, il est un fait que si on le gonfle, les pastilles vont s'éloigner les une des autres et sembleront acquérir de la vitesse. De même, bien que l'univers soit en expansion, les galaxies ne s’évadent pas dans l’espace malgré les apparences. Elles sont en mouvements du fait de l’expansion de l’Univers; elles sont animées de ce qu'on appelle une vitesse comobile.Cliquer sur l'image de droite pour lancer l'animation.

Enfin, pour la précision du langage, notons que l’habitude indéracinable d’exprimer H en km/sec/Mpc n’en demeure pas moins absurde et confuse. Mieux vaut utiliser l’expression Ht < 1 que nous utiliserons lorsque nous discuterons de l'équation d'état de l'Univers et du problème de la matière sombre. L'équation Ht = 1 exprime l’identité de l’âge de l’Univers et du "temps de Hubble". Cela permet d’éviter l’écueil des grands nombres puisque notre nouvelle échelle de mesure oscille à présent entre zéro et l’unité.

Le modèle Einstein-de Sitter

En 1932, Einstein et de Sitter collaborent à un nouveau modèle : le modèle Einstein-de Sitter[9]. Tous deux savaient à présent que l'Univers était en expansion, on ne pouvait y inclure de "constante cosmologique".

Un document rare. Albert Einstein discutant avec Georges Lemaître à Pasadena, en Californie, en 1932.

D’un autre côté, puisque sa courbure n'était pas directement mesurable, l'Univers devait donc être plat. L'Univers d'Einstein-de Sitter est donc une solution très simple des équations d'Einstein, en fait le premier modèle que l'on étudie en cosmologie. Il obéit aux principes de la relativité, il est homogène et isotrope. Cet Univers n'est ni ouvert, ni fermé, mais plat. En remontant l'horloge du temps, ce modèle impose une création originelle à un moment défini qui remonterait à plusieurs milliards d'années.

Le modèle mathématique d'Einstein-de Sitter qui sera par la suite baptisé le "modèle FRW" (ou FRLW) implique une singularité à l'origine, une condition différente de "l'atome primitif" de Lemaître. Tout l'Univers est condensé dans un point de densité et de courbure infinie à l'échelle de Planck.

Même si ce modèle ne correspond pas exactement à la réalité, il a le mérite d'être clair, rendant compte simplement des solutions de Friedmann aux équations de la relativité générale. Pour la première fois les chercheurs disposaient d’un modèle d’univers établit à partir d’observations et régit par des lois physiques.

Le "Big Bang" de Fred Hoyle

Fred Hoyle ne crut pas en cette "histoire" de création de l'Univers et qualifia humoristiquement ce phénomène de "Big Bang". Cette anecdote mérite quelques commentaires vu qu'elle est en relation avec la plus sérieuse théorie cosmologique contemporaine.

Hoyle qui supportait la théorie de l'Etat Stationnaire inventa l'expression imagée du "Big Bang" le 28 mars 1949 au cours d'une émission du "Third Programme" de la BBC, faisant allusion au bruit que fait une explosion dans les bandes dessinées pour dire combien il se moquait de cette théorie cosmologique évoquant une singularité initiale.

Comme Simon Mitton l'évoque dans son livre "Fred Hoyle. A Life in Science" (CUP, 2011), la série radiophonique intitulée "The Nature of the Universe" fut diffusée à 20 h le samedi et les transcriptions furent publiées la semaine suivante dans le magazine "The Listener" (vol. 44) dont les archives sont aujourd'hui disponibles en ligne. Cette série eut un gros succès et rendit Fred Hoyle célèbre.

Fred Hoyle à la BBC.

George Gamow qui supportait la théorie concurrente de l'expansion de l'univers (du Big Bang) popularisa également l'expression. Mais très critique envers son collègue et vexé par cette boutade, Gamow prétendit que le combat était "vain, à sens unique, insultant, et n'était pas digne de la BBC" (cf. S.Mitton, p129). Comme l'explique Ken Croswell dans son livre "The Alchemy Of The Heavens" (Anchor Books, 1995, ch.9), Hoyle récusa le fait qu'il avait été insultant et expliqua qu'"il s'agissait juste d'une image frappante pour insister sur la différence entre les deux théories à l'intention du public".

La rumeur prétend que les scientifiques comme le public ont également retenu l'expression car elle illustre merveilleusement la première page du "Livre de la Genèse" (Gen 1:1.1-1.4) qui commence ainsi : "Au commencement, Dieu créa les cieux et la terre. La terre était informe et vide: il y avait des ténèbres à la surface de l'abîme, et l'esprit de Dieu se mouvait au-dessus des eaux. Dieu dit: Que la lumière soit! Et la lumière fut. Dieu vit que la lumière était bonne; et Dieu sépara la lumière d'avec les ténèbres".

Quoi qu'il en soit, l'affaire en resta là et la théorie du Big Bang connut le succès que l'on sait au détriment des théories concurrentes.

Mais tous ces modèles ont éludé le problème de la création de la matière. Quel processus permettait de créer les éléments légers présents dans l'Univers et toute la matière à la base de l'édifice cosmique ?

Comme le faisait remarquer avec humour David N.Schramm [10] de l’Université de Chicago, "il y a 15 milliards d’années eu lieu une expérience concernant l’interaction entre la cosmologie et la physique des particules et l’unification de la physique en général. C’est cette expérience que nous appelons le Big Bang. Il en résultat la dispersion d’environ 1090 informations élémentaires dans 1028 cm3. Nous savons que l’appareil original [disposait d’une énergie] d’environ 1019 GeV, mais malheureusement, l’étudiant diplômé qui construisit cet équipement n’est pas resté longtemps alentour et, par conséquent, il ne peut pas nous dire exactement ce qu’il a fait. Aussi, nous devons essayer de rassembler les informations par nous même afin de voir si nous pouvons comprendre ce qui s’est produit dans cette expérience." Si vous êtes d’accord, ce sont ces bribes d’information que nous allons essayer de rassembler pour reconstruire le puzzle cosmique.

Edward A.Milne dans les années 1930. Document Famous People.

Le modèle FLRW selon Milne

Pour mémoire, en 1935 l'astrophysicien Edward A. Milne (1896-1950) alors à l'Université Victoria de Manchester, étudia un modèle d'univers FLRW doté de propriétés très simples, de densité d'énergie nulle et exempt de matière : le modèle de Milne.

Ce modèle d'univers se caractérise par une pression et une constante cosmologique d'Einstein égales à zéro. Il présente une forte courbure spatiale négative et aucune expansion spatiale.

Connaissant les découvertes d'Edwin Hubble à propos des galaxies, Milne expliquait les décalages Doppler par la vitesse de récession des galaxies résultant d'une hypothétique explosion primordiale, fidèle à l'idée de Georges Lemaître.

Mais son modèle assumant un niveau d'énergie nul était incompatible avec les observations. De plus, il ne prévoyait pas de rayonnement cosmologique (celui découvert plus tard à 2.7 K) ni l'abondance des éléments, deux piliers de la cosmologie du Big Bang. Aussi, ce modèle se perdit dans les oubliettes de l'Histoire.

Mais si le modèle de Milne est juste un cas d'école, Milne insista sur la relation découverte par Hubble en l'appelant le "principe cosmologique". Bien qu'il ne s'agisse pas d'une loi, ce concept a été perpétué jusqu'à aujourd'hui, même s'il a perdu beaucoup voire tout intérêt en raison des récentes découvertes. On y reviendra à propos de la structure de l'Univers mais d'un point de vue purement historique.

Prochain chapitre

Alpha, Bêta, Gamma ou la nucléosynthèse primordiale

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[6] G.Lemaître, "Modèle d'univers homogène, de masse constante et de rayon croissant, en accord avec la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques", Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 47A, 1927, p49 - G.Lemaître, "Univers en expansion", in "Annales de la Société des Sciences de Bruxelles", 53A, p.51-83, 1933 - G.Lemaître, "Hypothèse de l'atome primitif", Culture et Civilisation, 1972 - V.de Rath, "Georges Lemaître, le père du Big Bang", Labor, 1994 - A.Friedmann et G.Lemaître, "Essai de cosmologie", Le Seuil, 2001.

[7] E.Hubble, Proceedings of the National Academy of Sciences of U.S.A., 15, 1929, p168 et repris dans E.Hubble, "The Realm of the Nebulae", op.cit.

[8] 1 parsec (pc) = 3.26 années-lumière ou 30.86 mille milliards de km (environ 4000 fois la distance du Soleil à Pluton), 1 Mpc = 1 million de parsecs.

[9] A.Einstein et W.de Sitter, Proceedings of the National Academy of Sciences of U.S.A., 18, 1932, p213 - A.Einstein, “Sur la Structure Cosmologique de l’Espace”, Hermann, 1933.

[10] D.Schramm, Physics Today, apr.1983, p27.


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